Glauco Diniz Duarte Diretor – O que é rotor de um motor elétrico

Segundo o Dr. Glauco Diniz Duarte, o motor elétrico é o principal equipamento elétrico usado nas indústrias, atualmente estima-se que quase metade do consumo de energia elétrica no mundo esteja relacionado com o uso de motores elétricos. O motor elétrico transforma toda a energia elétrica que entra pelos cabos em energia mecânica girando o eixo do motor.

Mas para entender o funcionamento do motor precisamos conhecer primeiro quais são as partes do motor, eu vou explicar o funcionamento usando um motor trifásico de indução.

Rotor e estator

O motor elétrico trifásico tem duas partes principais, o que chamamos de estator e o que chamamos de rotor, esta construção vale para todos os motores de indução trifásicos.

O rotor fica fixado em um eixo. Ele corresponde à parte rotativa da máquina, ou seja, é a parte do motor que vai girar.

O estator é a parte fixa do motor. No estator é que são enrolados as bobinas responsáveis por criar os campos magnéticos que serão responsáveis pelo giro do motor.

O estator e rotor são as duas partes principais para entender como funciona um motor elétrico, mas existem ainda as outras partes, que basicamente são as partes de construção mecânica do motor.

Mancal

O mancal, na verdade o sistema de mancal são peças que prendem o eixo na carcaça do motor usando rolamentos, O mancal propriamente dito e as juntas de vedação.

O rolamento reduz consideravelmente o atrito para que o eixo possa girar.

As juntas de vedação garantem quem não infiltre água e poeira garantindo o nível de IP especificado para o modelo de motor.

Carcaça

A carcaça é a estrutura que prende o estator e os mancais. Uma coisa bem interessante, e que pouca gente sabe é que a grande maioria dos motores trifásicos tem aletas laterais que se parecem com aquelas que tem nos transformadores, essas aletas são usadas para dissipar o calor que é gerado no interior do motor.

Na carcaça também estão os pés para fixação do motor e o ponto para colocação de olhal que é a peça usada para içar o motor para transporte.

A carcaça do motor varia muito de modelo para modelos tendo a construção diferenciada para determinados tipos de utilização do motor. Por exemplo um motor utilizado para uma bomba d’água que tem carcaça bem diferente de um motor utilizado para uma correia transportadora.

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Ventilador

Uma hélice é instalada no rotor, esta tem um formato diferente do tradicional usado em ventiladores.

Este formato foi projetado justamente para atuar junto com a tampa de proteção para ajudar na dissipação de calor da carcaça, diferente de uma hélice tradicional de ventilador que impulsiona o ar para frente ou para trás. A hélice usada em motores impulsiona o ar para as laterais.

Tampa de proteção

Esta tampa é para proteção contra toque na hélice. O espaço entre a tampa e as aletas fazem parte do projeto para que o ar movimentado pela hélice passe pelas aletas, para ajudar na refrigeração.

Á medida que o ar é movimentado pela hélice o formato da tampa de proteção e o espaço entre a tampa e as aletas direcionam o ar para passar pelo meio das aletas.

Caixa de ligação

Por último temos a caixa de ligação do motor, nesta caixa é que são conectados os cabos de alimentação do motor.

Funcionamento

O motor elétrico de indução trifásico tem a construção e o funcionamento muito simples, por isso este tipo de motor de alta eficiência é tão usado na indústria.

Para entender como ele funciona é preciso conhecer uma regra do eletromagnetismo, toda vez que uma corrente elétrica passa por um condutor elétrico é formado um campo eletromagnético neste condutor.

Se enrolarmos um condutor em várias espiras e fizermos passar uma corrente elétrica nesta bobina, vamos ter um campo magnético ainda maior.

Se pensarmos em um motor simples com apenas 3 bobinas, podemos combinar estas bobinas e ligá-las em uma rede trifásica e teremos três eletroímãs produzindo campo magnético.

No nosso desenho temos um estator com 3 bobinas a bobina 1 tem as pontas 1 e 4, a bobina 2 tem as pontas 2 e 5 e a bobina 3 tem as pontas 3 e 6.

Se conectarmos as pontas 4, 5 e 6 entre si temos o que seria uma ligação estrela e nos sobram as pontas 1, 2 e 3, que podemos conectar as fases de um sistema trifásico.

A corrente trifásica se forma a partir de três corrente alternadas iguais, só que estas correntes estão deslocadas umas das outras no tempo, esse deslocamento tem uma diferença de um terço de ciclo, ou seja quando uma corrente está no máximo as outras duas não vão estar no máximo.

Na figura que aparece na tela temos as três correntes I1, I2 e I3 de um sistema trifásico na parte de cima e na parte de baixo vai aparecer os campos magnéticos que são gerados pelas bobinas do estator em cada instante.

No primeiro instante T1, a corrente I1 é zero, I2 é negativa e I3 tem valor igual a I2 porém positiva. Assim as bobinas do estator são percorridas pelas três correntes estabelecendo um campo magnético dirigido para baixo, com polo norte em cima e polo sul embaixo. Em nossa imagem as partes rosas representam o campo magnético.

No segundo instante T2, a corrente I1 tem valor máximo positivo, enquanto I2 e I3 são negativas com metade do valor máximo. O campo magnético agora é direcionado para esquerda, o polo norte se situa no lado direito e o polo sul no lado esquerdo. O campo teve um giro de 90º no sentido horário, em relação ao instante T1.

O terceiro instante T3, a situação é bem parecida com o instante T1. I1 é novamente zero, porém as polaridades da corrente I2 e I3 se inverteram, sendo agora I2 positiva e I3 negativa. O campo girou mais 90º completando 180º no mesmo sentido horário.

No quarto instante T4, as três correntes se encontraram em posições inversas as do instante T2, sendo I1 negativa, e I2 e I3 positivas. O campo girou completando agora 270º

No quinto e último instante T5, a situação das correntes e do campo magnético é igual ao de T1, o campo magnético se dirige novamente pra baixo com polo norte em cima e sul embaixo completando 360º e o ciclo se reinicia.

Em nossa rede elétrica esse processo se repete 60 vezes por segundo considerando uma frequência de 60hz.

Com esta construção o motor garante um campo magnético que gira continuamente no sentido horário.

Este campo magnético é suficiente para arrastar o rotor do motor na direção da rotação do campo magnético do estator

No motor com rotor estilo gaiola a velocidade de giro do rotor é sempre menor que a velocidade de giro do campo magnético do estator.

Por isso esse tipo de motor trifásico é chamado de assíncrono, ou seja, a velocidade de rotor e do campo do estator não são síncronas. Esta diferença de velocidade entre estator e campo magnético é o que se chama no estudo dos motores de escorregamento.

Perdas em motores trifásicos de indução

Os motores elétricos são máquinas bem mais eficientes do que se compararmos com um motor à combustão, mas mesmo assim ainda existe algumas perdas.

Nem toda energia elétrica que é injetada no motor vira movimento, uma parte é perdida em calor. Inclusive falamos como as aletas da carcaça ajudam a dissipar esse calor.

Perda de energia elétrica no motor devido ao calor gerado.

O tipo de metal usado em todas as partes do motor e a qualidade do cobre também são fundamentais para reduzir as perdas.

Perdas no cobre dos enrolamentos

Temos dois pontos principais de perdas, o primeiro é no cobre dos enrolamentos. E considerando as perdas no cobre podemos falar das seguintes perdas:

Perdas na resistência ôhmica dos enrolamentos:

Este tipo de perda se trata da dissipação de potência na forma de calor, por efeito Joule. Esta perda em motores elétricos de indução com rotor em gaiola de esquilo ocorre no estator, nas bobinas de cobre e também na gaiola do rotor que são de barras de alumínio. Basicamente é o princípio de um resistor, a medida que passa corrente em um condutor a resistência provoca aquecimento

Perdas parasitas no condutor dos enrolamentos:

Esta são perdas produzidas pelas correntes parasitas induzidas nos condutores das bobinas pelo fluxo de dispersão. Em geral essas perdas são proporcionais ao fluxo de dispersão, à massa do cobre e ao quadrado da dimensão de cada condutor pelos quais passa o fluxo de dispersão. No principio do magnetismo um condutor por onde passa uma corrente elétrica gera campo magnético, o contrário também é válido, como induzimos um campo magnético do induzido para transforma-lo em um eletroímã temos uma corrente gerada, uma corrente parasita.

Perda no metal do estator

O segundo ponto principal de perda é no metal do estator, e considerando o estator temos as seguintes perdas:

Perdas por histerese:

São perdas provocadas pela propriedade dos materiais ferromagnéticos de apresentarem um atraso entre a indução magnética e o campo magnético.

Perdas por correntes parasitas ou de Foucault:

Quando uma corrente alternada está fluindo pelo enrolamento, um campo magnético variável surge no núcleo. A variação desse campo, aumentando e diminuindo, induz uma tensão no núcleo e essa força eletromotriz causa a circulação de correntes parasitas.

As correntes circulam no material ferromagnético, provocando aquecimento, ou seja, a energia está gerando calor ao invés de ser transferida para a carga do motor.

Quanto menor a espessura da chapa e maior a resistividade do material, menores são as perdas por correntes parasitas.

Portanto, o estator é construído com material laminado, com pequena espessura e com composição química que resulte num material de elevada resistividade.

Motor de indução com imã permanente

O Motor WEG W22 IR5 Ultra Premium é um motor síncrono de ímãs permanentes também chamado de W22 Magnet.

O motor W22 Magnet possui enrolamento de estator trifásico similar ao motor de indução. Se compararmos com o estator do modelo tradicional da pra ver bem a semelhança.

Porém, o rotor é montado com ímãs permanentes ao invés da gaiola. Eles são feitos com a combinação de Neodímio, Ferro e Boro, sendo chamados de irmãs de Terras Raras. Aqui no corte podemos o que parece ser uma chapa é na verdade o imã permanente.

Os imãs permanentes eliminam a necessidade de indução de corrente no rotor que é a corrente de magnetização, afinal o imã já está magnetizado.

Neste caso, sem carga o motor apresenta um valor de corrente muito baixo, apenas para suprir as perdas.

Além da corrente de magnetização, o motor W22 Magnet também não necessita da compensação de escorregamento, pois a velocidade de eixo não varia com a carga.

Os imãs permanentes inseridos no rotor dos motores garantem uma grande redução nas perdas elétricas, e consequentemente da temperatura dos motores, possibilitando redução do tamanho da carcaça.

Quem estuda elétrica e conhece um pouco de motores e da indústria, sabe que economia de espaço e a redução de temperatura em ambientes industriais são muito importantes.

Os motores W22 Magnet possuem rendimento superior independente de rotação ou carga, podendo chegar à até 30% de economia quando comparados com os motores de indução acionados por inversor de frequência.

Rendimento em motores elétricos

Não tem como falar de motores e não falar sobre índice de rendimento. Falamos sobre dois modelos de motores trifásicos de indução que se parecem, mas têm rendimentos bem diferentes.

No Brasil, o índice de rendimento dos motores é conhecido como IR e até 2009 não havia regulamentação para níveis mínimos de eficiência. Com isso, os motores na sua maioria eram IR1 ou rendimento Standard.

Desde 2009, a portaria nº 553 passou a estabelecer níveis mínimos de rendimentos para motores elétricos de indução trifásicos. Desta forma os fabricantes de máquinas e consumidores finais passaram a utilizar produtos que atendam pelo menos o nível de rendimento IR2.

Agora em 2019 vai entrar em vigor uma nova lei que determina o nível mínimo de rendimento em IR3 para faixa de potência de 0,16 a 500 cv, de 2 a 8 polos. Essa lei é válida para todos os motores comercializados, sejam novos ou usados.

E por que isso importa? O setor industrial brasileiro consome cerca de 40% da energia elétrica do país, e 70% da energia utilizada na indústria é consumida por motores elétricos. Desta forma, motores mais eficientes garantem uma economia de energia.

Os motores ao longo de sua trajetória passaram por modificações para melhorar sempre o rendimento, justamente para que a energia seja utilizada da melhor forma possível.

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